工程力学 教学课件 作者 顾晓勤第11章 变形体力学的几个问题 第8节 聚合物、陶瓷材料的力学性能.ppt

* 第十一章 变形体力学几个问题 * 第八节 聚合物、陶瓷材料的力学性能 一、聚合物的力学性能 高分子材料：是由各类单体分子通过聚合反应而形成的，又称聚合物或高聚物。它包括天然聚合物和人工合成聚合物两大类。 蠕变：钢铁等金属材料，在常温下其应力—应变关系均与时间无关。但对于混凝土、塑料等粘弹性材料，当应力保持不变时，应变随时间的增加而增加，这种现象称为蠕变。 松弛：当应变保持不变时，应力随时间的增加而减小，这种现象称为松弛。 1）聚合物为密度最小的工程材料，其密度一般为 1000~2000kg/m3，仅为钢铁材料的1/8~1/4，不到 工程陶瓷密度的一半。重量轻、强重比大是聚合 物的突出优点。 聚合物的主要机械、力学性能 2）聚合物的弹性变形量可达到100%~1000%，而一 般金属材料只有0.1%~1.0%。 3）聚合物刚度差, 弹性模量约为0.4~4.0GPa，而一般 金属材料为50~300GPa。 4）聚合物粘弹性明显，受载后其应变落后于应力， 常温下即会产生明显的蠕变变形和应力松弛。 聚合物在外力作用下强烈地受温度和载荷作用时间的影响，因此其力学性能变化幅度较大。非晶态聚合物的弹性模量 E 随温度 T 变化的典型曲线如图所示。 表11-3 聚合物及其他材料的抗拉强度 981 合金结构钢40Cr 2000~4000 玻璃纤维 598 优质碳素 结构钢45 5 混凝土 120 芳香尼龙 85 聚砜PSU 85 聚苯醚PPO 67 聚碳酸酯PC 83 尼龙-66 60 尼龙-610 50 聚氯乙烯 （PVC） 20 低压聚乙烯（PE） 抗拉强度 （MPa） 名 称 抗拉强度 （MPa） 名 称 二、陶瓷材料的力学性能 传统的陶瓷制品：以天然粘土为原料，通过混料、成形、烧结而成，其性能特点是强度低而脆。 新型工程陶瓷：采用高纯、超细的人工合成材料，精确控制其化学组成，经过特殊工艺加工而得到的结构精细、力学性能和热学性质优良的陶瓷材料。常用的工程陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、氧化铝和氧化锆增韧陶瓷。 工程陶瓷材料的力学性能特点：耐高温、硬度高、弹性模量大、耐磨损、抗腐蚀、抗蠕变能力强。 陶瓷材料的断裂特征：绝大多数陶瓷材料在常温下拉伸或弯曲，均不产生塑性变形，呈现脆性断裂的特征，如图所示。 例如：在发动机上使用高性能工程陶瓷材料，除耐磨、耐腐蚀外，还由于材料耐高温，无需冷却系统，可使热效率提高20%，发动机重量减轻20%，耗油量降低30%以上。 1）与金属材料相比弹性模量大（见表 11-4），陶瓷 材料的弹性模量不仅与结合键有关，还与其组成 相的种类、分布比例及气孔率有关。因此陶瓷的 成型与烧结工艺对弹性模量影响重大。 陶瓷材料弹性变形特点 2）陶瓷材料的压缩弹性模量高于拉伸弹性模量，抗 压强度值比抗拉强度值大得多，表 11-5 列出了几 种材料的拉压强度。 表11-4 常温下陶瓷材料与金属材料的弹性模量 70 铝 110 铜 210 钢 190 氧化锆 210 氧化镁 240 尖晶石 300 95%氧化铝陶瓷 73 石英玻璃 380 氧化铝 抗拉强度 （GPa） 名 称 抗拉强度 （GPa） 名 称 表11-5 材料的抗拉强度和抗压强度 400~600 100~150 铸铁FC10 3000 300 烧结B4C 981 合金结构钢40Cr 598 优质碳素结构钢45 2990 265 99%烧结氧化铝 1900 134 烧结尖晶石 200 50 透明石英玻璃 250~400 30~40 化工陶瓷 抗拉强度/MPa 抗拉强度/MPa 名 称